几种激光器的结构示意图
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常用激光器工作原理
E1
➢He-Ne激光器是典 型的四能级系统， 其激光谱线主要有 三条 : ➢3S2P 0.6328 ➢2S2P 1.15 ➢3S3P 3.39
下能级E1 能级E3 级E2
本上是空的。其激励能量要
激光要比三能级系统容易得 多。
一.固体激光器的基本结构与工作物质
固体激光器基本上都是由工作物质、泵浦系统、谐振腔和冷却、滤光系统构成的。 图5-1是长脉冲固体激光器的基本结构示意图(冷却、滤光系统未画出)。
激光的发射原理不同于常规光，不是各种能级加在一起的自发辐射产生的， 而是受激发射，各种能级的原子被泵浦到较高的一个激发态上，由于维持的 时间总体正态分布，大部分原子都在一段极短的时间内掉到同一个较低的能 态上，这种发射方式导致光处在几乎一致的能量水平，也就是我们平常所说 的激光单色性
综述.激光器发光原理
1、全反镜，6、半反镜，5、YAG棒产生震荡激光以后，在经过一个或者 两个YAG棒放大，可得到1064nn的激光光源。
2、调Q组件 4、偏振器 3、光阑
9、倍频晶体（变频器），可以改变激光的频率，输出1064nm 、532nm、 355nm的激光器的输出特性
固体激光器的基本结构示意图
YAG 激光器具有能量大、峰值功率高、结构较紧凑 、牢固耐用等优点, 广泛应 用于工业、国防、医疗、科研等领域。用调Q Nd: YAG 的谐波泵浦的可调谐染 料激光器,具有高功率、窄线宽的特点, 可用于光谱学、激光医疗与生物工程等科
工作物质
掺钕钇铝石榴石(Nd3＋：YAG) ➢工作物质:将一定比例的A12O3、Y2O3，和Nd2O3在单晶炉中进行熔化结晶而 成的，呈淡紫色。它的激活粒子是钕离子(Nd3＋)
1. 固体激光器的激光脉冲特性 ➢一般的脉冲固体激光器产生的激光脉冲是由一连串不规则振荡的短脉冲(或 称尖峰)组成的，各个短脉冲的持续时间约为(0.11)m，各短脉冲之间的间隔 约为(510) s。泵浦光愈强，短脉冲数目愈多，其包络峰值并不增加。
激光器的种类及应用
1.同质结半导体激光器 是更复杂、更高性能半导体激光器的基本结构，简单、直观而 精练地体现了半导体激光器的工作原理，便于建立清晰的概念。
• 激光工作物质： 由半导体材料构成的有源区：Ⅲ－V族化合物，如GaAs，InP直接带隙结构， 导带底与价带顶都在K空间的同一位置，注人的电子－空穴带间的光跃迁 无需声子参与，跃迁几率很大，有很高的发光效率。 • 粒子数反转分布——通过 p-n结正向大注入途径来实现： 正向偏压下，大量电子和空穴分别通过耗尽层注入到p侧和n侧， ——导带中存在电子而价带空，形成粒子数反转分布。 • 谐振腔——一般通过解理形成： GaAs等材料折射率很高，解理面大约反射35%的入射光，可形成的一对优质F－P腔， 若再在两腔面分别镀以反射膜和增透膜，则可以进一步提高腔运行效果
准分子激光器激光波长(nm)
放电激发的准分子激光器结构与TEA型CO2激光器基本相同。 很难维持放电的长期稳定性，而要求脉冲宽度为几十ns的高速放电。 卤素气体活性很强，气体容易恶化，必须用耐腐蚀材料制作，并要定期更换气体。 通常采用He、Ne将由压力数千帕的稀有气体和压力数百帕的卤素气体组成的混合气 体稀释成数百千帕的混合气体作为激光工作物质，所形成的激光器输出能量为数百微 焦耳，发光效率1%，重复频率数千赫兹。
激光切开的典型运用
1 汽车范畴的运用 领先的三维激光设备, 不光能够完成车体零件的切开, 还可完成整个 轿车车身全体的切开、焊接、热处理、熔覆、乃至三维丈量, 然后完 成惯例加工无法完成的技能需求。德国通快公司的三维激光设备在 奔驰、通用公司、福特公司、雷诺公司、SKODA公司、欧宝公司、 SAAB公司、VOLVO公司和戴姆勒一克莱斯勒公司成功地运用多年。 2 航空范畴的广泛运用 世界上很多的航空发动机公司选用三维激光设备进行燃烧器段的高 温合金资料的切开和打孔使命, 在军用和民用航空器的铝合金资料或 特别资料的激光切开都获得了成功。
• 激光工作物质： 由半导体材料构成的有源区：Ⅲ－V族化合物，如GaAs，InP直接带隙结构， 导带底与价带顶都在K空间的同一位置，注人的电子－空穴带间的光跃迁 无需声子参与，跃迁几率很大，有很高的发光效率。 • 粒子数反转分布——通过 p-n结正向大注入途径来实现： 正向偏压下，大量电子和空穴分别通过耗尽层注入到p侧和n侧， ——导带中存在电子而价带空，形成粒子数反转分布。 • 谐振腔——一般通过解理形成： GaAs等材料折射率很高，解理面大约反射35%的入射光，可形成的一对优质F－P腔， 若再在两腔面分别镀以反射膜和增透膜，则可以进一步提高腔运行效果
准分子激光器激光波长(nm)
放电激发的准分子激光器结构与TEA型CO2激光器基本相同。 很难维持放电的长期稳定性，而要求脉冲宽度为几十ns的高速放电。 卤素气体活性很强，气体容易恶化，必须用耐腐蚀材料制作，并要定期更换气体。 通常采用He、Ne将由压力数千帕的稀有气体和压力数百帕的卤素气体组成的混合气 体稀释成数百千帕的混合气体作为激光工作物质，所形成的激光器输出能量为数百微 焦耳，发光效率1%，重复频率数千赫兹。
激光切开的典型运用
1 汽车范畴的运用 领先的三维激光设备, 不光能够完成车体零件的切开, 还可完成整个 轿车车身全体的切开、焊接、热处理、熔覆、乃至三维丈量, 然后完 成惯例加工无法完成的技能需求。德国通快公司的三维激光设备在 奔驰、通用公司、福特公司、雷诺公司、SKODA公司、欧宝公司、 SAAB公司、VOLVO公司和戴姆勒一克莱斯勒公司成功地运用多年。 2 航空范畴的广泛运用 世界上很多的航空发动机公司选用三维激光设备进行燃烧器段的高 温合金资料的切开和打孔使命, 在军用和民用航空器的铝合金资料或 特别资料的激光切开都获得了成功。
激光加工_03常用激光器
另外，二氧化碳的工作能级离基态近，激励阈 值低，而且电子碰撞分子，把分子激发到工作 能级的机率比较大。
10
为了提高激光器的输出功率，二氧化碳激光器 一般都加进氮（N2）、氦（He）、氙（Xe）等 辅助气体和水蒸汽。
气体混合比对输出功率有很大影响，一般采用 的比例是： CO2： N2：He：Xe：H2O=1：1.5~2：6~8：0.5： 0.1
¾He--在CO2+ N2的激光器中加入大量的He，可使输出功率提高5~10倍。它的作用是抽
空低能级。因为He的导热性好，使放电管内热量向管壁传递的速率提高，使激光介质冷
却，降低工作气体的温度，十分有利于提高激光器的输出功率。
¾Xe-在CO2+ N2+He的激光器中加进Xe，可使输出功率提高25~30%。Xe的作用是降低放
32
调Q技术
• 在激光技术中，通常用Q值，即谐振腔的品质 因素，来表示腔损耗的大小，其定义是
Q
=
2πγ
21
⋅
腔内存贮能量 每秒损耗能量
• 所谓调Q技术，就是通过一定的方法使谐振腔 内的品质因素Q值按一定的规律变化。
调Q工作原理
• 当激励刚刚开始时，先使谐 振腔内具有高损耗（低Q 值），激光器由于损耗高 （即阈值高），而不能产生 波长为的激光振荡。于是激 光工作物质中的粒子反转数 可以积累到很高的水平。然 后在适当的时候，使腔内损 耗突然降低到很低水平（高 Q值），阈值也随之突然降 低。此时粒子反转数大大超 过阈值，于是在极短时间内 原来贮存的大部分粒子的能 量转变为激光能量，在输出 端有一个很强的波长为的激 光巨脉冲输出
• 氙灯发出的光能在聚光器的作用下聚集在工作 物质上，一般可将氙灯发出来的80%左右的光 能集中在工作物质上。
10
为了提高激光器的输出功率，二氧化碳激光器 一般都加进氮（N2）、氦（He）、氙（Xe）等 辅助气体和水蒸汽。
气体混合比对输出功率有很大影响，一般采用 的比例是： CO2： N2：He：Xe：H2O=1：1.5~2：6~8：0.5： 0.1
¾He--在CO2+ N2的激光器中加入大量的He，可使输出功率提高5~10倍。它的作用是抽
空低能级。因为He的导热性好，使放电管内热量向管壁传递的速率提高，使激光介质冷
却，降低工作气体的温度，十分有利于提高激光器的输出功率。
¾Xe-在CO2+ N2+He的激光器中加进Xe，可使输出功率提高25~30%。Xe的作用是降低放
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调Q技术
• 在激光技术中，通常用Q值，即谐振腔的品质 因素，来表示腔损耗的大小，其定义是
Q
=
2πγ
21
⋅
腔内存贮能量 每秒损耗能量
• 所谓调Q技术，就是通过一定的方法使谐振腔 内的品质因素Q值按一定的规律变化。
调Q工作原理
• 当激励刚刚开始时，先使谐 振腔内具有高损耗（低Q 值），激光器由于损耗高 （即阈值高），而不能产生 波长为的激光振荡。于是激 光工作物质中的粒子反转数 可以积累到很高的水平。然 后在适当的时候，使腔内损 耗突然降低到很低水平（高 Q值），阈值也随之突然降 低。此时粒子反转数大大超 过阈值，于是在极短时间内 原来贮存的大部分粒子的能 量转变为激光能量，在输出 端有一个很强的波长为的激 光巨脉冲输出
• 氙灯发出的光能在聚光器的作用下聚集在工作 物质上，一般可将氙灯发出来的80%左右的光 能集中在工作物质上。
周炳坤激光原理与技术课件第九章 典型激光器与激光放大器
钕玻璃中Nd3+的吸收谱：
三、Nd:YVO4激光器
——掺钕钒酸钇激光器 优点：受激发射截面大，是Nd:YAG的5倍 在 λ = 809nm 存在很强的吸收带，更适用激光管泵浦，YVO4 是双折射 晶体，激光输出 π 方向偏振光，可避免多余的热致双折射
四、Nd:YLF激光器
• Nd:YLF（Nd:Li YF）发射 1053nm波长激光，与掺Nd的 磷酸玻璃的峰值增益相匹配， 适用于制作激光放大器 Nd:YLF的荧光寿命是Nd:YAG 的2倍，适合于激光二极管抽 运，由于荧光寿命长，Nd:YLF 提供的储能是Nd:YAG的两倍 Nd:YLF能级及其跃迁图 发射1053nm和1047nm。可用 腔内起偏器选择
Ar+激光器输出功率随放电电流变化曲线
Lexel Argon Laser
§9.2.3 二氧化碳激光器
一、 CO2激光器的特点
• • • • • • • 属于气体激光器，分子激光器 波长 9－11um，最常见10.6um 效率高 光束质量好 功率范围大（几瓦～几万瓦） 运行方式多样 结构多样
（a）同轴泵浦 （b）傍轴泵浦
• 钛宝石激光器的应用——双端差分吸收激光雷达
§9.2 气体激光器
主要气体：He-Ne、CO2、Ar+、Kr、He-Cd、N2等 优点：气体光学均匀性好 光束质量好：单色性高，相干性好，光束稳定性好 功率大：如CO2激光10.6um可达Kw以上 寿命长 激励方式： 导电激励为主 气体放电激励： 热激励 化学激励
三、抽运方式 1、气体放电灯（闪光灯）激励——光泵
常用氙灯、氪灯
泵浦光源应该满足两个基本条件：
(1)、闪光灯光泵应与激光物质吸收谱重合
高压氙灯的发射光谱
调Q光纤激光器结构示意图和MOPA光纤激光器结构示意图
调Q光纤激光器和普通的调Q激光器一样，都是在激光谐振腔内插入Q开关器件，通过周期性改变腔损耗，实现调Ｑ激光脉冲输出。
Ｑ开关是被广泛采用的产生短脉冲的激光技术之一。
现状：调Q光纤激光器在许多领域都有着广泛应用，大功率是调Q光纤激光器的一个发展方向。
全光纤化也是调Ｑ光纤激光器发展的一个重要趋势，人们陆续研发出一些全光纤的Q开光来代替传统的声光与电光调制器，大大地降低了激光器的插入损失。
用于光纤激光器的调Ｑ技术大致可以分为光纤型调;和非光纤型调Ｑ两类。
非光纤型调Ｑ有光调Ｑ、电光调Ｑ、机械转镜调Ｑ和可饱和吸收体调Ｑ等。
非光纤型调Ｑ：1.声光调Q激光器：2.电光调Q激光器：3.可饱和吸收体调Q激光器：光纤型调Q装置光纤型调Q装置有光纤迈克尔逊干预仪调Q、光纤马赫一曾特尔干预仪调Q和光纤中的受激布里渊散射〔ＳＢＳ〕调Ｑ光纤激光器等。
下面介绍混合调Q和脉冲泵浦受激布里渊散射混合调Q光纤激光器。
混合调Q光纤激光器如图所示得到了峰值功率3.7KW，脉宽2m的脉冲激光输出。
实验中选用掺钕双包层光纤作增益介质，光纤长7.2m,纤芯直径5.1um,数值孔径0.12。
内包层为矩形结构,截面尺寸150um*75um。
泵源为800nm、3w激光二极管，有60%的泵光祸合到内包层中。
系统由一个全反镜和一个二向色镜构成驻波谐振腔。
在双包层光纤的输出端接几米长的单模光纤,实现调Q ,得到纳秒量级的激光脉冲。
在腔内插人一声光调制器(AQM),使激光脉冲重复频率在6.6KHz-16.4KHZ范围内可调。
脉冲泵浦和受激布里渊散射混合调Q :在线形腔双包层光纤激光器中,用脉冲泵浦和SBS混合调Q 。
如下图泵浦源为多模半导体激光器〔LD〕，带有800um的输出尾纤,,,有连续和脉冲两种运转方式。
多模半导体激光器通过合适的光学藕合系统泵浦掺Yb 的双包层光纤。
增益光纤纤芯直径为7um,作为泵浦光通道的内包层为一矩形结构(125*125um),外面涂一层硅橡胶作为外包层。
第3讲 典型激光器介绍及光线传输矩阵
能级
图
封离式CO2激 光器结构示意 图
12
3.1 典型激光器介绍
13
3.1 典型激光器介绍
▪ Ar+离子激光器
➢ Ar＋激光器一般由放电管、谐振腔、轴向磁场和回气管等几部分组 成。如下图所示为石墨放电管的分段结构 。
分段石墨结构Ar+激光器示意图
14
3.1 典型激光器介绍
15
3.1 典型激光器介绍
3、不同介质介面（平面）
ro ri 0
ro
0
1 2
ri
1
ro ro
0
0
1 2
ri ri
Байду номын сангаас
由近轴近似，折射定律可以写成
1 sin ri 2 sin ro 1 ri 2 ro
辐射不是基于原子分子或离子的束缚电子能级间的跃磁韧致辐射带电粒子在磁场中受到洛伦兹力的作用会作加速运动从而产生辐射当速度接近光速的电子作圆周运动时将会辐射出光子由于这种辐射1947年在同步加速器上被发现的因而被命名为同步辐射synchrotronradiation切伦科夫辐射当电子在介质中运动时如果它们的速度比光在介质中的相速度大电子也会产生光辐射其波长随着电子速度而变化虽然光很弱但却是单色性很好的辐射光
➢ 谱线范围宽 ---目前有数百种气体和蒸气可以产生激光，已经观测到 的激光谱线近万余条，谱线覆盖范围从亚毫米波到真空紫外波段， 甚至 X射线、射线波段。
➢ 光束质量优---工作物质均匀一致保证了气体激光束的优良光束质量， 在光束的相干性、单色性方面优于固体、半导体激光器，如He-Ne 激光的单色性很高，Δλ很容易达到10-9～10-11nm，其发散角只有l～ 2毫弧度。
激光基础知识
按照 运转方式 分类：连续激光器、单次脉冲激光器、重复脉冲激光器、锁模激
光器、单模和稳频激光器、可调谐激光器
按照 显示波段 分类：远红外激光器、中红外激光器、近红外激光器、可见光激
光器、近紫外激光器、真空紫外激光器、X射线激光器
半导体激光器 半导体激光器，即用半导体材料（砷化镓GaAs、砷化铟InAs、铝镓砷 AlxGaAs、铟磷砷InPxAs）为工作物质的激光器。
品 品种 种不 不齐 齐
光器的 国内生产的光纤激 留在1μm 激射波长至今仍停 已经成 的波段上，而国外 2μm波长 功开发出1.5μm和 光器， 的人眼安全光纤激 安全光 这使得中国在人眼 到限制。 纤激光应用方面受
一 单一 长单 波长 波
缺 缺乏 乏高 高端 端产 产品 品
在高重复率、脉宽为皮 秒 或飞秒量级的商用超短 光 脉冲的锁模激光器方面 存 在很大的空白
半导体激光器结构图
PN结——半导体激光器的心脏 将P型半导体和N形半导体"紧密接触"，其接触面就形成PN结，在PN 结界面上存在多数载流子梯度，因而产生扩散运动，形成空间电荷区 及内部电场
零偏压时的PN结能带图
正向偏压时的PN结能带图
一些常见半导体激光器
单管 / C-mount封装
单管 / F-mount封装
常见的 工作物 质
液体
有机化合物液体 无机化合物液体
GaAs 、GaN……
半导体
自由电子
自由电子束
激光器“有多少种”？
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激光器
按照 工作物质 分类：固体激光器、气体激光器、液体激光器、半导体激光器、
自由电子激光器
激光器封装简要说明
QCL in butterfly package图1，封装好的激光器外形上图包括外壳，引脚，激光出射窗口，热沉，TEC模块，热敏电阻，激光器模块。
外壳：尺寸2*2.5*1cm3材质要求：底部采用传热性较好的纯铜，并在内部与TEC模块紧密接触（用导热胶与TEC制热面粘结），侧面与顶部可采用其他材料。
两边对称引脚接口，位于侧面的中上部位，以较方便连接内部部件为宜。
透镜窗口，高度在侧面中部以上，位于前侧面的中心位置，方便激光的输出以及内部激光器的放置，大小以透镜为标准。
引脚：两边对称排列2*4根，圆柱形，铜质，直径1.27mm，长度3.5cm，引脚间距2mm。
激光出射窗口：使用材料BaF2。
热沉：使用导热系数较大的纯铜（也可以采用其他材质，视条件而定，要求导热系数较好）。
厚度不小于0.15cm。
TEC模块：1.5*1.5*0.33cm3。
底部与外壳紧密接触，上部与热沉接触良好，TEC 周围使用隔热材料做成的隔热圈，减少制热面产生的热量向制冷面传递。
热敏电阻：采用贴片式热敏电阻。
激光器模块：封装详细结构如图2。
图2，激光器模块封装建议图如图2所示为激光器模块封装的建议图；*所提供的激光器裸管中阳极与阴极（此处阳极，阴极是为了方便表达，封装时对应为裸管的上下表面）表层都没有镀上欧姆接触层，在封装激光器模块前需在激光器上下两面镀上欧姆接触层，皆为Ti/Au（40/120nm），在上表面为了使得金丝能与欧姆接触层更好的连接，需再镀上5um厚的Au。
阴极（基板为）铜或铝，它与激光器的阴极短接，作为激光器的阴极来使用，同时也是为了较快地散热，它的厚度见附图。
基板的下方应加一层导热性好的绝缘层，使得激光器基板与热沉有较好的电隔离，且不影响其导热性能。
中间红色一层为绝缘层，采用高绝缘材料，其厚度见附图。
上面一层为阳极接触层，同样可以用铜片或者铝片（首先选择铜），阳极的铜板不一定要求与图示上所画大小，但要求保持较低的电阻。
1.8He-Ne激光器
2.
3.
利用气体放电泵浦方法向CO2气体分子注入能量， 使放电管中CO2分子达到反转分布状态。 将直流电压的两输出端分别接到放电管的两电极 上，当不加电压或电压很低时，两电极间的气体完 全绝缘，内阻为无穷大，没有电流流过；随着电压 的升高，气体中开始有带电粒子移动，气体的内阻 开始减小，当达到某一电压值时，内阻急剧减小， 电流迅速增加、气体被击穿、放电开始，这一电压 值叫做着火电压； 放电管中的气体被击穿放电后，电流增长、气体 中载流子增加、激光放电管的内阻下降、又进一步 引起电流的增加，这一过程反复进行，放电管呈现 负阻效应，为了使放电能够稳定地工作在放电管电 流—电压特性曲线的某一点上，在放电管的供电电 路中采取了限流措施。
气体激光器
光束质量好，线宽窄，相干性好，谱线 丰富。 效率低，能耗高，寿命较短，体积大。 原子（氦－氖）激光器， 离子（氩，氪，金属蒸汽）激光器， 分子（CO2,CO,准分子)激光器。
氦-氖(He-Ne)激光器 He-Ne)激光器
图(5-9) He-Ne激光器的基本结构形式
氦—氖激光器(He-Ne 激光器)是原子气体激光 器，工作物质是氦原子和氖原子气体，氖原子能级 间的跃迁产生激光谱线，氦原子起能量转移作用， 这是最早研究成功的气体激光器。医学中常将此种 激光器用做“光针”和照射治疗的工具，对溃疡的 治疗有较好的疗效。
图(5-10 )是与产生激光有关的Ne原子的部分能级图，Ne原子的激光上能级 是3S和2S能级，激光下能级是3P和2P能级。 1. He-Ne激光器的结构和激发机理
He-Ne激光器是典 型的四能级系统， 其激光谱线主要有 三条 : 3S→2P 0.6328µ 2S→2P 1.15µ 3S→3P 3.39µ
图(5-12) 封离式CO2激光器结构示意图
半导体激光器
导带组成，如图(5-24)。
图(5-24) 本征半导体的能带
图(5-23) 固体的能带
同质结和异质结半导体激光器
• 同质结砷化镓(GaAs)激光器的特性
伏安特性: 与二极管相同，也具有单向导电性，如图(5－29)所示。 阈值电流密度: 影响阈值的因素很多 方向性: 图(5-30)给出了半导体激光束的空间分布示意图。
半导体的能带和产生受激辐射的条件
在一个具有N个粒子相互作用的晶体中， 纯净(本征)半导体材料，如单晶硅、 每一个能级会分裂成为N个能级， 锗等，在绝对温度为零的理想 因此这彼此十分接近的N个能级好 状态下，能带由一个充满电子 象形成一个连续的带，称之为能带， 的价带和一个完全没有电子的 见图(5-23)。
p( E ) 1 exp(
1 E Ef kT
式中，k为波兹
)
曼常数，T为热
力 学 温 度 。 Ef 称为费米能级， 用来描述半导体
中各能级被电子
占据的状态。
PN结的特性
当P型半导体和N型半导体结合后，在它们之间就出 现了电子和空穴的浓度差别，电子和空穴都要从 浓度高的地方向浓度底的地方扩散，扩散的结果 破坏了原来P区和N区的电中性，P区失去空穴留下 带负电的杂质离子，N区失去电子留下带正电的杂 质离子，由于物质结构的原因，它们不能任意移 动，形成一个很薄的空间电荷区，称为PN结。其 电场的方向由N指向P，称为内电场。该电场的方 向与多数载流子（P区的空穴和N区的电子）扩散 的方向相反，因而它对多数载流子的扩散有阻挡 作用，称为势垒。
在光纤通讯与光纤传感技术中，激光器方向 性的好坏影响到它与光纤耦合的效率。单模 光纤芯径小，数值孔于半导体的导带，价带都有一定的宽 度，所以复合发光的光子有较宽的能 量范围，因而产导体激光器的发射光 谱比固体激光器和气体激光器要宽。 半导体激光器的光谱随激励电流 而变化，当激励电流低于域值电流时， 发出的光是荧光。这时的光谱很宽， 其宽度常达百分之几微米。如图 (a) 所示。当电流增大到阈值时，发出的 光谱突然变窄，谱线中心强度急剧增 加。这表明出现了 激光。其光谱